7月23日，日軍在諾門罕前線各部隊經過半個月的補充和休整後，集中25000名兵員，82門大炮全線發動總攻擊。24日，蘇軍發動反攻，日軍退回原地。25日，關東軍司令部下達“停止進攻，構築陣地”的指示。
8月4日，日軍爲實施統一指揮，在海拉爾組建第6軍(轄第23、第8國境警備隊等，司令荻州立兵中將)，兵力約2.5萬人。
爲早日解決諾門罕地區戰事，蘇軍統帥部決定在塔木察格布拉格的第57特別軍擴編成第1集團軍。這是臨時組織的具有獨立作戰職能的多種合成的大兵團。蘇軍集結第1集團軍(6萬餘人，轄3個步兵師，即第57師、第82師、第152師)、摩托化第36師，機械化第5旅，裝甲第7旅、第8旅、第9旅，坦克第6旅、第7旅、第11旅，空降第212旅、機槍第5旅、炮兵第185團，反坦克炮第37、85營，第63、66、150防空營等其他部隊(另附外蒙騎兵第6師、騎兵第8師等部隊)，共計機械化大軍10萬餘人(另外動用鐵路晝夜不停的運送來18000噸炮彈，6500噸炸彈，7000噸燃料，4000噸糧食和4000噸物資、3000輛載重汽車..... 蘇軍一共498輛坦克、346輛裝甲車，542門大炮，515架飛機)。7月15日，朱可夫被任命爲集團軍司令員。[
蘇軍總參謀部決定總攻時間爲8月20日(星期天)，因爲按照慣例，日軍前沿部隊的軍官有半數要輪流到海拉爾去休假。進攻的命令20日凌晨2點45分傳達到一線連隊，對面日軍陣地一片沉寂，蘇軍反攻做到了最大的突然性。
8月20日凌晨，蘇蒙軍發起總攻戰役。蘇蒙軍以3個步兵師，2個騎兵師，5個裝甲旅，1個機槍旅，1個空降旅以及大量的飛機、大炮，開始舉行大規模的反攻。日軍雖然1輛坦克也沒有，被蘇軍成千噸炮彈猛烈轟炸，還被蘇軍裝甲部隊合圍，但日軍毫無懼色，在陣地上勇敢地和蘇軍激戰。構築在蒙古曠野上的土木機構工事很快被蘇軍的大炮轟成平地，日軍就依託單兵用工兵鐵鍬挖成的簡易單兵掩體作戰。8月24日，日軍竟然還發起了反擊，3000名沒有炮火掩護的日本步兵被阻止在鐵絲網和野戰工事以及大炮面前，隨後蘇軍坦克開始出擊，日軍後退。戰鬥到8月26日，日軍第23師團已經被完全合圍了。在蘇軍重炮羣、坦克羣、航空炸彈的猛烈轟擊下，日軍第23師團損失慘重。此役，蘇軍重創重日軍第23師團搜索隊，全殲第7師團第26聯隊第1大隊，日軍第64聯隊和炮兵第13聯隊被蘇軍大部殲滅，第64聯隊長山縣武光大佐和炮兵第13聯隊長伊勢高秀大佐均被擊斃，23師團第71聯隊長森田徹大佐亦被擊斃，日軍僅有的22門加農炮全部喪失。
8月31日，在被上萬噸炮彈轟擊第11天后，彈盡糧絕的日軍第23師團決定突圍。2000多名第23師團士兵用手榴彈近戰殺出一條路，突出重圍。日軍各部隊亦隨之突圍。
8月29日，鑑於日軍在諾門坎地區的不利情況，日軍大本營決定在我國關內戰場調集：第5師團(駐青島)，第14師團(駐河南開封、新鄉)，野戰重炮兵第9、第10聯隊，速射炮9箇中隊，16個野戰高炮隊，1個飛行戰隊，22個汽車中隊到達我國東北，以增強諾門坎地區。
同時關東軍司令部調集第2師團10000人、第4師團9800人、第7師團8000人、高炮部隊和國境守備隊主力向諾門坎前進，企圖戰勝蘇軍。但在攻勢發起前的9月3日被日軍大本營阻止。
9月9日，東鄉駐蘇大使向蘇聯提出諾門坎停戰要求。
9月15日，日本駐蘇大使東鄉與蘇聯外交部長莫洛托夫簽訂停戰協定，雙方於9月16日凌晨2時停止一切實際軍事行動。
